異淀粉酶的應(yīng)用

1、異淀粉幅的應(yīng)用異淀粉酶在飼料工業(yè)中的應(yīng)用價(jià)值（1中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院；2生物能源持續(xù)開(kāi)發(fā)利用教育部工程研究中心；3云南師范大學(xué)酶工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；4云南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院；5云南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院省工業(yè)微生物發(fā)酵工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）在動(dòng)物體內(nèi)，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化和吸收過(guò)程中，酶起著非常重要的促進(jìn)作用。一般情況下，動(dòng)物自身能分泌消化酶一一蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶等，進(jìn)入消化道，對(duì)其攝入的蛋白、脂肪和淀粉等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行降解，成為能被吸收的小分子，如：氨基酸、脂肪酸、甘油和葡萄糖等。飼料中不僅有營(yíng)養(yǎng)物，還有大量的結(jié)構(gòu)性多糖，如：果膠、纖維素、甘露聚糖、木聚糖及抗?fàn)I養(yǎng)物植酸等，而動(dòng)物（尤其是反芻動(dòng)物）自

2、身不能產(chǎn)生或分泌降解這些結(jié)構(gòu)性多糖及抗?fàn)I養(yǎng)物的酶（果膠酶、纖維素酶、甘露聚糖酶、木聚糖酶和植酸酶），因而為了降解這些結(jié)構(gòu)性抗?fàn)I養(yǎng)物，顯著提高飼料的利用率，添加于飼料中的酶，一般是消化酶（蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶）和非消化酶制成的復(fù)合酶制劑。飼用酶制劑的研究與應(yīng)用已有十多年的歷史，大量研究表明：飼用酶制劑是一種高效、無(wú)毒且無(wú)殘留的綠色飼料添加劑。飼用酶制劑中非消化酶和消化酶的添加，都能不同程度地降低食糜黏稠度，促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化和吸收，提高飼料利用率。非消化酶的添加可破壞植物細(xì)胞壁，降低食糜黏稠度，消除飼料抗?fàn)I養(yǎng)物的有害作用；消化酶的添加可補(bǔ)充內(nèi)源消化酶的不足，促進(jìn)消化機(jī)能的改善與養(yǎng)分的吸收利用，

3、提高飼料的生物轉(zhuǎn)化率，促進(jìn)畜禽的生長(zhǎng)發(fā)育與生產(chǎn)性能，降低養(yǎng)殖成本，減少糞便中有機(jī)物及磷和氮的排放量，減輕畜禽養(yǎng)殖對(duì)環(huán)境的污染。另外，由于無(wú)毒、無(wú)殘留和不產(chǎn)生抗藥性，飼用酶制劑還可作為抗生素添加劑的替代品，添加溶菌酶可殺滅畜禽及水產(chǎn)品體內(nèi)的某些病原體，防止一些疾病的發(fā)生，提高畜禽及水產(chǎn)養(yǎng)殖的整體效益。谷物（如玉米、高粱、麥類和豆類）中的淀粉是畜禽飼料中糖類的主要來(lái)源，淀粉是由葡萄糖單體通過(guò)a-1,4-葡萄糖昔鍵聚合形成的直鏈淀粉和在a-1,6位有分支的支鏈淀粉組成的混合物。飼料中的淀粉只有被水解成為葡萄糖單體，才能被動(dòng)物消化道有效吸收。因而，飼用酶制劑中，作為外源性輔助消化酶，淀粉酶的使用占有重

4、要地位。按照水解淀粉方式的不同，主要的淀粉酶分為4大類型：a-淀粉酶、糖化酶、B-淀粉酶和淀粉解支酶。目前，飼用酶制劑中常用的淀粉酶有a-淀粉酶、糖化酶（葡萄糖淀粉酶）和B-淀粉酶。a-淀粉酶是內(nèi)切型糖音酶，它以隨機(jī)的方式水解葡聚糖非鏈端處的內(nèi)部a-1,4-糖昔鍵，產(chǎn)生各種類型的寡糖，可使底物黏度迅速降低，不能水解a-1,6-糖昔鍵，但能跨越；糖化酶屬于外切型糖普酶，可從非還原末端催化a-1,4-糖昔鍵和a-1,6-糖昔鍵水解斷裂，逐個(gè)切下葡萄糖單元，產(chǎn)生葡萄糖，但后者的水解速率極慢；B-淀粉酶，屬于外切型糖音酶，從非還原末端的外側(cè)每隔2個(gè)葡萄糖單位水解a-1,4-糖昔鍵，產(chǎn)生相對(duì)低分子質(zhì)量并

5、帶有B-D構(gòu)型的單一類型產(chǎn)物，作用于支鏈淀粉產(chǎn)生極限糊精，不能越過(guò)a-1,6分支點(diǎn)去進(jìn)攻另一側(cè)的a-1,4-糖昔鍵，主要產(chǎn)物為麥芽糖及B-極限糊精。飼料工業(yè)用淀粉質(zhì)原料大部分含有70%80%的支鏈淀粉，支鏈淀粉是由a-1,4-葡萄糖鏈通過(guò)a-1,6-糖昔鍵產(chǎn)生側(cè)枝而形成高度分支的多糖，由于每隔2025個(gè)葡萄糖單位就有一個(gè)支鏈點(diǎn)，支鏈淀粉含4%5%的a-1,6-糖昔鍵。因?yàn)樘腔笇?duì)淀粉中的a-1,6-糖昔鍵作用力較弱，即使a-淀粉酶與糖化酶聯(lián)合使用對(duì)淀粉的最高轉(zhuǎn)化率DE值為96%,支鏈淀粉不被分解則影響飼料中淀粉的徹底利用。因而，飼用酶制劑中添加專一水解a-1,6-鍵的異淀粉酶，可極大提高淀粉的

6、水解速度及最終水解度。理論上可使淀粉徹底水解。1異淀粉酶的來(lái)源異淀粉酶是淀粉酶家族的重要成員，屬于解支酶的一種。自然界中，異淀粉酶來(lái)源廣泛。目前已在許多植物（如大米、蠶豆、馬鈴薯、麥芽和甜玉米）中發(fā)現(xiàn)有異淀粉酶（R-B）。高等動(dòng)物的肝和肌肉中亦有類似于異淀粉酶的分解a-1,6糖昔鍵的酶存在。微生物是工業(yè)用異淀粉酶的主要來(lái)源。微生物中能產(chǎn)生異淀粉酶的菌種很多，最初由日本學(xué)者從酵母細(xì)胞提取液中發(fā)現(xiàn)，后續(xù)的研究者發(fā)現(xiàn)，有不少細(xì)菌和某些放線菌均能產(chǎn)生異淀粉酶。但能滿足工業(yè)化生產(chǎn)的菌種還比較難得酶制劑中的異淀粉酶主要由微生物發(fā)酵制造。國(guó)內(nèi)外常用的微生物有產(chǎn)氣氣桿菌ATCC9621產(chǎn)氣氣桿菌10016菌株

7、、假單胞菌、鏈霉和酵母等。目前，世界上只有丹麥的Novo公司具備異淀粉酶的工業(yè)化生產(chǎn)能力，我國(guó)工業(yè)所用異淀粉酶全部從Novo公司進(jìn)口，價(jià)格相當(dāng)昂貴，極大限制了異淀粉酶在我國(guó)的應(yīng)用。因此，如何降低酶成本，尋找一條國(guó)產(chǎn)化生產(chǎn)異淀粉酶的途徑，成為酶制劑行業(yè)努力的方向。國(guó)內(nèi)雖然從1973年就開(kāi)始解支酶的研究工作，但一直局限于微生物（典型菌株產(chǎn)氣氣桿菌來(lái)源的普魯蘭酶和高等植物（如麥芽）來(lái)源的R-酶（植物支鏈淀粉脫支酶）。近年來(lái)，王弋博等研究的中溫地衣芽抱桿菌，其出發(fā)菌株的異淀粉酶活達(dá)到3.35U/mL,誘變后酶活提高到7.37U/mL。夏靜等從云南梁河溫泉水樣中分離篩選到一株產(chǎn)異淀粉酶的棲熱菌，其產(chǎn)酶的

8、初始酶活達(dá)4.14U/mL0王武等對(duì)短桿菌異淀粉酶產(chǎn)生菌進(jìn)行選育及酶作用性質(zhì)的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，搖瓶發(fā)酵液中酶活單位最高可達(dá)520U/mL,酶作用最適pH可低至5,最適溫度可高至55C,是至今為止國(guó)內(nèi)較為優(yōu)良的產(chǎn)異淀粉酶菌株，但未見(jiàn)其工業(yè)化生產(chǎn)的報(bào)道。近幾年來(lái)，云南師范大學(xué)酶工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和生物能源持續(xù)開(kāi)發(fā)利用教育部工程研究中心一直致力于產(chǎn)異淀粉酶菌株的分離篩選及酶學(xué)性質(zhì)研究。從云南全省各地溫泉和土壤中分離鑒定了數(shù)10株產(chǎn)異淀粉酶的菌株，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其中有一株枯草芽胞桿菌在含可溶性淀粉的LB平板上50c培養(yǎng)24h,產(chǎn)生典型的變色透明圈；以普魯蘭糖為底物，用DNS法測(cè)酶活力，無(wú)酶活力；以可溶性淀粉為

9、底物，用國(guó)標(biāo)法測(cè)a-淀粉酶活力，也無(wú)活力。而以1%玉米支鏈淀粉為底物，用DNS法測(cè)酶活力，測(cè)定條件：溫度55C,pH5,酶活為87.45U/mLo可見(jiàn)，該菌所產(chǎn)異淀粉酶，酶系純，除了異淀粉酶活力，測(cè)定不出其他淀粉酶活力；該酶底物專一性強(qiáng)，最適pH可低至5,具有良好的應(yīng)用前景。2異淀粉酶的作用原理異淀粉酶是一種內(nèi)切型淀粉酶，與普魯蘭酶、寡-1,6-葡萄糖音酶和支鏈淀粉-6-葡聚糖水解酶等同屬淀粉脫支酶。異淀粉酶能專一性地切開(kāi)支鏈淀粉分支點(diǎn)的a-1,6-糖背鍵，可剪下整個(gè)側(cè)支，形成直鏈淀粉，它的最小作用底物是63-麥芽三糖基麥芽四糖，不能從B-限制糊精和-限制糊精水解由2個(gè)或3個(gè)葡萄糖單位構(gòu)成的側(cè)

10、鏈，對(duì)茁霉多糖的活性很低；只能水解構(gòu)成分支點(diǎn)的a-1,6-糖昔鍵，而不能水解直鏈分子中的a-1,6-糖昔鍵。由于異淀粉酶對(duì)底物中a-1,6-糖昔鍵位置的特異性強(qiáng)，因而早期被應(yīng)于淀粉、糖原及其水解產(chǎn)物和其他有關(guān)化合物分子結(jié)構(gòu)的理論研究。近年來(lái)，異淀粉酶已廣泛應(yīng)用于酶制劑或食品工業(yè)的加工助劑，異淀粉酶可單獨(dú)使用，也可與其他酶配合使用。單獨(dú)使用，異淀粉酶可改變谷類淀粉性質(zhì)，使支鏈淀粉變?yōu)橹辨湹矸?，制造粉絲和淀粉膜；異淀粉酶與B-淀粉酶配合使用可生產(chǎn)高麥芽糖；與其他淀粉酶（a-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶）配合使用，可使淀粉糖化迅速且完全。3異淀粉酶的酶學(xué)特性微生物來(lái)源的異淀粉酶為誘導(dǎo)型胞外酶。酵母、細(xì)菌和某

11、些放線菌均能產(chǎn)生異淀粉酶，但不同來(lái)源的異淀粉酶對(duì)于底物作用的專一性有所不同，對(duì)于各種不同聚合度的支鏈淀粉具有不同的分解能力。酶作用的最適溫度和最適pH環(huán)境及金屬離子對(duì)酶的影響都有差異。一般而言，酵母異淀粉酶最適pH為66.8,最適溫度為2025C；產(chǎn)氣氣桿菌10016菌株異淀粉酶最適pH為5.67.2,最適溫度為4550c；放線菌異淀粉酶最適溫度較高，如：鏈霉菌N0.28的異淀粉酶最適pH為5,最適溫度為60C,在pH5.55.7時(shí)酶最穩(wěn)定。金屬離子對(duì)異淀粉酶活性有影響，一般受Mg2+和Ca2+g微激活，但受到Hg2+、Cu2+、Fe3+和A13+等的抑制；而鈣離子能提高異淀粉酶pH穩(wěn)定性和熱

12、穩(wěn)定性。異淀粉酶的酶學(xué)特性對(duì)其在工業(yè)中的應(yīng)用，具有重要的參考價(jià)值。以淀粉質(zhì)為原料的淀粉糖加工、食品、飼料和醫(yī)藥等行業(yè)，可依據(jù)自身的加工條件，選用不同的異淀粉酶，以期達(dá)到對(duì)淀粉的最充分利用，以減少糧耗和能耗，從而降低生產(chǎn)成本。4異淀粉酶在飼料工業(yè)中的應(yīng)用酶有高度的專一性和特異性，并且不同動(dòng)物種類和不同的生長(zhǎng)階段，動(dòng)物體內(nèi)產(chǎn)生的酶種類和數(shù)量并不相同，因此，根據(jù)不同動(dòng)物和不同生長(zhǎng)階段的特點(diǎn)選用合適的飼用酶制劑，才能有效發(fā)揮和提高酶制劑的作用效果。動(dòng)物的幼齡期，消化系統(tǒng)的發(fā)育還不完善，消化酶，尤其是蛋白酶和淀粉酶分泌還不足，是使用酶制劑較理想的階段。一般應(yīng)選用含有多種消化酶，特別是淀粉酶和蛋白酶為主的

13、酶制劑。由于一般用于飼料的谷物淀粉中，直鏈淀粉含量?jī)H占20%,支鏈淀粉含量高達(dá)80%,而目前常用酶制劑中的淀粉酶主要為a-淀粉酶、糖化酶和B-淀粉酶，這幾種酶無(wú)論是作為單酶使用還是作復(fù)合酶使用都不能迅速?gòu)氐椎厮庵ф湹矸?，因而，添加適量的異淀粉酶分解經(jīng)液化的分支部分，使其轉(zhuǎn)變?yōu)橹辨湹矸?，這樣更有利于其他淀粉酶的水解過(guò)程。據(jù)國(guó)外報(bào)道，采用此法，飼料中的谷物淀粉的利用率可得到極大的提高。異淀粉酶只水解糖原或支鏈淀粉分枝點(diǎn)的-1,6糖苜鏈，切下整個(gè)側(cè)枝，形成長(zhǎng)短不一的直鏈淀粉。異淀粉酶對(duì)底物的作用特點(diǎn)，可以從其對(duì)糯米淀粉作用后產(chǎn)物的特性得到證實(shí)。當(dāng)異淀粉酶作用于糯米淀粉時(shí)，隨著解支作用的進(jìn)行，碘色反

14、應(yīng)由紅變蘭，還原力增加，在丁醇中發(fā)生沉淀，淀粉溶液變?yōu)橐子诶匣?，出現(xiàn)了直鏈淀粉的特征。異淀粉酶與其他淀粉酶配合使用時(shí)，一個(gè)引人注目的現(xiàn)象是，可使淀粉糖化完全。目錄1簡(jiǎn)介2原理3應(yīng)用1簡(jiǎn)介異淀粉酶的性質(zhì)在淀粉酶分類中，通常將異淀粉酶排在最后，它是淀粉酶類家族中的一名新成員.2原理其實(shí)早在1940年由酵母抽提渡中即發(fā)現(xiàn)了異淀粉酶但對(duì)異淀粉酶的酶學(xué)特性認(rèn)識(shí)卻經(jīng)歷了一段不算太短的時(shí)間表淀粉酶分類常用名作用的鍵主要生成物來(lái)輯0淀粉酶1.4葡萄糖動(dòng)物（睡液.胰臟）期精細(xì)曹，霉菌麥芽糖植糟（麥芽）淀粉酶1.4麥芽糖大豆.山芋，鮑膏糖化蘸1.41.6葡萄糖動(dòng)物.霉曹.細(xì)曹.群母異捷粉辭】.6直鏈期精植絢蜘曹群

15、母當(dāng)時(shí).對(duì)如下現(xiàn)象的結(jié)論顯然是錯(cuò)誤的.該酶與糯米淀粉液作用.能引起混濁.并于數(shù)日后發(fā)生白色沉淀，如以碘反應(yīng)運(yùn)漸變?yōu)樗{(lán)色.這種碘反應(yīng)的變化與用酸和淀粉酶等分解淀粉時(shí)的變化恰好相反，因而當(dāng)時(shí)誤認(rèn)為該酶有合成淀粉作用，而將其命名為淀粉合成酶.后來(lái).隨著淀粉化學(xué)的進(jìn)展，對(duì)淀粉酶有了更深入的了解.認(rèn)識(shí)到上述碘反應(yīng)顏色的變化是與支鏈淀粉和直鏈淀粉的性能有關(guān)，所謂淀粉合成酶實(shí)際上是切斷'6糖昔鍵的酶.放將該酶重新命名為異淀粉酶.異淀粉酶.廣泛存在于自然界.在植物中.如大米，蠶豆，馬鈴薯,麥芽和甜玉米等均發(fā)現(xiàn)有異淀粉酶的存在.在高等動(dòng)物的肝臟，肌肉中亦有類似于異淀粉酶的分解n1,6糖昔鍵的酶存在.微生

16、物中能夠產(chǎn)生異淀粉酶的菌種很多.除最初以酵母中發(fā)現(xiàn)異淀粉酶外，后來(lái)發(fā)現(xiàn)，不少細(xì)菌和某些放線菌均能產(chǎn)生異淀粉酶.而且還了解到，不同來(lái)源的異淀粉酶對(duì)于底物作用的專一性有所不同3應(yīng)用主要表現(xiàn)在對(duì)于各種支鏈多聚糖以及茁霉多糖的分解能力上.輕工業(yè)部食品發(fā)酵工業(yè)研究所經(jīng)過(guò)多年的研究.選育到一株可甩于工業(yè)化生產(chǎn)的產(chǎn)氣氣桿菌（）,編號(hào)為06510該菌產(chǎn)生的異淀粉酶能分解茁霉多糖及糯米淀粉分子中的,6糖昔鍵.所謂茁霉多糖.其構(gòu)造根據(jù)1965年-等的研究，它是含1.4鍵聚麥芽三糖，在其兩端有,6鍵，如此反復(fù)聚合成直鏈狀葡聚糖.由培養(yǎng)產(chǎn)氣氣桿菌1065-1獲得的異淀粉酶.其特性為：1.底物專一性.該酶能專一地分解糯米淀粉及茁霉多糖分子中的1,6糖昔鍵.主要產(chǎn)物為麥芽三糖.4.異淀粉酶近年來(lái)，人們?cè)陂_(kāi)發(fā)改善可食淀粉包裝膜性能方面做了大量細(xì)致工作，但到目前為止幾乎沒(méi)有淀粉基包裝膜得到工業(yè)化生產(chǎn)和實(shí)際商業(yè)應(yīng)用，這主要是由于現(xiàn)有可食性淀粉包裝膜力學(xué)性能較差，抗水穩(wěn)定性不夠理想。因此淀粉膜性能改善方